ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ
(ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
КУРСОВАЯ РАБОТА
НА ТЕМУ: «ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЧЕРНОВОЙ МЕДИ НА ОАО «СРЕДНЕУРАЛЬСКИЙ МЕДЕПЛАВИЛЬНЫЙ ЗАВОД»»
Москва, 2009
Содержание
1 Общие сведения о меди
2 Области использования и потребления меди
3 Физические и химические свойства меди
4 Сырье для производства меди
5 Основные минералы меди
6 История развития ОАО "Среднеуральский медеплавильный завод"
7 Производственный комплекс ОАО «СУМЗ»
8 Организация медеплавильного цеха на ОАО «СУМЗ»
9 Интенсификация Процесса плавки медного сырья
10 Сущность процесса плавки в жидкой ванне
11 Процессы протекающие в надфурменной и подфурменной зонах печи для плавки в жидкой ванне
12 Конструкция печи Ванюкова
13 Технология процесса конвертирования медных штейнов
14 Особенности проведения 1-го и 2-го периодов конвертирования
15 Преимущества и недостатки процесса конвертирования
16 Устройство конвертера
Выводы
1 Общие сведения о меди
Медь (лат. Cuprum), Cu, химический элемент I группы периодической системы Менделеева; атомный номер 29, атомная масса 63,546; мягкий, ковкий металл красного цвета. Природная состоит из смеси двух стабильных изотопов — 63
Cu (69,1 % ) и 65
Cu (30,9 % ).
Среднее содержание меди. в земной коре (кларк) 4,7·10-3
% (по массе. Среди многочисленных минералов меди преобладают сульфиды, фосфаты, сульфаты, хлориды, известны также самородная медь , карбонаты и окислы.
Ткип=2310ºС
Тпл=1083ºС
=8.9 т/м
=7.96 т/м
Медь легко поддается прокатке, может вытягиваться в проволоку, обладает высокой электропроводностью (уступает только серебру), является малоактивным, электроположительным металлом. Не растворяется в соляной и серной кислоте, но легко растворяется в азотной кислоте.
Медь образует многочисленные сплавы с другими металлами: бронза, латунь, мельхиор, нейзильбер.
2 Области использования и потребления меди
1. Электроника и электротехника – провода, кабели, обмотка электродвигателей, фольга, электропроводимые шины (45-25%)
2. Машиностроение и транспорт – теплообменники, радиаторы, детали и узлы автомобилей, самолетов, судов, вагонов и т.д. (15-25%)
3. Строительные материалы – кровельные материалы, декоративные украшения (8-10%)
4. Химическая промышленность – соли входят в состав красок, катализаторы (3-6%)
5. Изделия бытового назначения – посуда, часы, украшения (10%)
3 Физические и химические свойства меди
Цвет меди красный, в изломе розовый, при просвечивании в тонких слоях зеленовато-голубой. Металл имеет гранецентрированную кубическую решётку с параметром а = 3,6074 ; плотность 8,96 г/см3
(20 °С). Химическая активность меди невелика. Компактный металл при температурах ниже 185 °С с сухим воздухом и кислородом не взаимодействует. В присутствии влаги и CO2
на поверхности меди образуется зелёная плёнка основного карбоната. При нагревании меди на воздухе идёт поверхностное окисление; ниже 375 °С образуется CuO, а в интервале 375—1100 °С при неполном окислении меди . — двухслойная окалина, в поверхностном слое которой находится CuO, а во внутреннем — Cu2
O. Влажный хлор взаимодействует с медью уже при обычной температуре, образуя хлорид CuCl2
, хорошо растворимый в воде. Особое сродство медь проявляет к сере и селену; так, она горит в парах серы С водородом, азотом и углеродом медь не реагирует даже при высоких температурах. Растворимость водорода в твёрдой меди незначительна и при 400 °С составляет 0,06 мг в 100 г меди. Водород и другие горючие газы (CO, CH4
), действуя при высокой температуре на слитки меди, содержащие Cu2
O, восстановляют её до металла с образованием CO2
и водяного пара. Эти продукты, будучи нерастворимыми в меди, выделяются из неё, вызывая появление трещин, что резко ухудшает механические свойства меди.
При пропускании NH3
над раскалённой медью образуется Cu3
N. Медь подвергается воздействию окислов азота, а именно NO, N2
O (с образованием Cu2
O) и NO2
(с образованием CuO). Карбиды Cu2
C2
и CuC2
могут быть получены действием ацетилена на аммиачные растворы солей М. Нормальный электродный потенциал меди для реакции Cu2+
+ 2e Сu равен +0,337 в, а для реакции Cu+
+ е Сu равен +0,52 в. Поэтому медь вытесняется из своих солей более электроотрицательными элементами (в промышленности используется железо) и не растворяется в кислотах-неокислителях. В азотной кислоте медь растворяется с образованием Cu(NO3
)2
и окислов азота, в горячей концентрации H2
SO4
— с образованием CuSO4
и SO2
, в нагретой разбавленной H2
SO4
— при продувании через раствор воздуха. Все соли меди ядовиты
Медь в двух- и одновалентном состоянии образует многочисленные весьма устойчивые комплексные соединения. Примеры комплексных соединений одновалентной меди (NH4
)2
CuBr3
; K3
Cu(CN)4
— комплексы типа двойных солей; [Сu {SC (NH2
)}2
]CI и другие. Примеры комплексных соединений 2-валентной меди CsCuCI3
, K2
CuCl4
— тип двойных солей. Важное промышленное значение имеют аммиачные комплексные соединения меди [Сu (NH3
)4
] SO4
, [Сu (NH3
)2
] SO4
.
4 Сырье для производства меди
Основное сырье для производства меди – руда. Медь может производится из вторичного сырья (отходы металлообработки, металлолом, брак)
Руда состоит из минералов, различают минералы:
- ценные (в их состав входят извлекаемые металлы)
- пустой породы
По минералогическому составу медные руды делятся на:
- сульфидные
- окисленные
- смешанные
- самородные
По количеству сульфидов:
- сплошные - полностью состоят из сульфидов
- вкрапленные – сульфиды присутствуют в виде вкраплений
По количеству ценных компонентов:
- монометаллические
- полиметаллические (комплексные)
5 Основные минералы меди
Сульфидные:
- ковелин CuS,
- халькопирит CuFeS2,
- халькозинCu2S,
- бормит Cu5FeS4,
- кубанит CuFe2S3
Окисленные:
- малахитCuCO3 Cu(OH)2,
- куприт Cu2O,
- азурит CuCO3 Cu(OH)2,
- тенорит CuO
Кроме медносодержащих минералов в руде может содержаться:
- cфалерит ZnS
- пирротин Fe7S8
- пирит FeS2
- галинит PbS
В руде рисутствуют минералы пустой породы, в основном оксиды (SiO2, CaO, Al2O3, MgO), силикаты, карбонаты, алюмосиликаты.
Содержание меди в рудах: 0,5-1,5 меди, 0,8-1,5 в основном – руды с таким содержанием в металлообработку сразу отправлять нельзя. Применяют обогащение. Метод флотации – получают медный концентрат с содержанием меди 10-30 %, максимальное количество меди в концентрате до 50%. В России основными предприятиями по производству меди являются: Норильский никель, Северный никель, Пышма, Среднеуральский медеплавильный завод.
6 История развития ОАО "Среднеуральский медеплавильный завод"
Правительственное постановление о строительстве на Урале крупного медеплавильного предприятия на базе Дегтярского месторождения медистых перитов — медно-серно-цинково-колчеданных руд, — расположенного в 15 км. к югу от Ревды было принято в августе 1931 года. Работы по возведению и техническому оснащению производств, прокладке коммуникационных и транспортных сетей, строительству жилья для работников завода заняли без малого девять лет. 25 июня 1940 года были получены первые тонны черновой меди. Этот день считается днем рождения СРЕДНЕУРАЛЬСКОГО МЕДЕПЛАВИЛЬНОГО ЗАВОДА. В последующие десятилетия завод рос, наращивал свой технический потенциал, увеличивал объемы выпуска продукции и прочно вошел в число лидеров отрасли. Тяжелые испытания пришлись на 1990-е годы, когда из-за недостатка медьсодержащего сырья резко сократилось производство черновой меди, хронические неплатежи за переработку и полученную продукцию привели к большой задолженности по заработной плате и, как следствие, к недовольству коллектива. Критическая ситуация была разрешена лишь благодаря совместным усилиям руководства СУМЗа и АО «Уралэлектромедь». С приходом на пост генерального директора А.А. Козицына завод начал работать достаточно стабильно, постоянно увеличивая объемы производства. В настоящее время, согласно оценкам экспертов, ОАО «СУМЗ» входит в первую двадцатку наиболее динамично развивающихся компаний России, с 2000 года входит в составУГМК.
СУМЗ является градообразующим предприятием. Он является основным плательщиком в муниципальный бюджет. Обеспечивает половину жилого массива города теплом и горячей водой. Завод содержит стоматологическую клинику, профилакторий, базу отдыха для детей, большой спортивный комплекс и Дворец культуры.
7 Производственный комплекс ОАО «СУМЗ»
СУМЗ представляет собой крупный химико-металлургический комплекс, включающий в себя пять основных производств:
— обогатительную фабрику, которая после реконструкции достигла мощности по переработке 1 миллиона тонн шлаков в год;
— медеплавильный цех, производящий свыше 100 тысяч тонн черновой меди из собственного и привозного сырья. Попутно из концентратов и флюсов в готовую продукцию извлекаются золото и серебро;
— сернокислотный цех, вырабатывающий около 500 тысяч тонн серной кислоты в год. Здесь также извлекается сера из обжиговых и конверторных газов и газов печи Ванюкова;
— суперфосфатный цех, производящий фосфорные удобрения с использованием собственной серной кислоты. После частичной реконструкции оборудования в цехе освоен выпуск триполифосфата натрия — составляющего сырья для технических и бытовых моющих средств;
— цех ксантогенатов — крупный производитель бутилового ксантогената калия, флотореагента для обогатительных фабрик. Цех может выпускать до 8,5 тысячи тонн этого продукта, которым обеспечивает большинство горно-обогатительных комбинатов Уральского региона, Башкортостана и Казахстана.
Предприятие поставляет свою продукцию на переработку на российские заводы, а также на экспорт. Основным потребителем черновой меди производства ОАО "СУМЗ" является АО "Уралэлектромедь". Потребителями прочей продукции являются предприятия Урала, Центральных и Восточных районов России. Основным видом экспортной продукции является рафинированная медь.
Динамика объемов производства продукции ОАО "СУМЗ", т
| Наименование видов продукции | 1997 | 1998 | 1999 | 2000 | 2002 |
| Медь черновая | 92446 | 70138 | 81327 | 103065 | 106253 |
| Серная кислота | 394000 | 319194 | 362730 | 412706 | 410551 |
| Триполифосфат | 15605 | 16050 | 31101 | 36002 | 36566 |
| Ксантогенат (85%) | 3688 | 2400 | 3651 | 5302 | 5154 |
Завод является носителем передовых технологий в комплексной переработке техногенных отходов. На предприятии действует самая современная система экологического мониторинга.
Перспективные планы ОАО «СУМЗ» предусматривают продолжение работ по реконструкции и модернизации оборудования завода с целью увеличения объемов производства, повышения качества продукции, комплексного использования сырья, сокращения вредного воздействия на окружающую среду, утилизации отходов производства.
В настоящее время на предприятии развертывается реконструкция всего основного производства
8 Организация медеплавильного цеха на ОАО «СУМЗ»
До 1995 года медеплавильный цех завода перерабатывал медные концентраты по схеме обжига в печах "кипящего" слоя, отражательной плавки огарка и конвертирования.
Отражательная плавка характеризуется низкой удельной производительностью, высоким расходом огнеупорных материалов, низким тепловым КПД, высоким удельным расходом углеродистого топлива и большим количеством газов с низким содержанием сернистого ангидрида (1,0-2,5%), обезвреживание которых связано со значительными капитальными и эксплуатационными затратами. Такие ценные сопутствующие компоненты, как сера, свинец, цинк, кадмий, германий, рений и др. при отражательной плавке полностью теряются.. Отражательная плавка, основанная на внешних источниках теплоты, — процесс несовершенный. Основными причинами острой необходимости замены отражательной плавки стали высокие требования к предотвращению загрязнения окружающей среды выбросами оксидов серы. В условиях отражательной плавки, характеризующейся образованием огромных количеств очень бедных по SO2 газов, их обезвреживание требует больших капитальных затрат и обходится дорого в эксплуатации. В связи с этим, а также в связи с необходимостью активного использования теплотворной способности сульфидов и ряда других рассмотренных выше факторов были разработаны и освоены новые способы плавки медного сырья. В 1987 году на заводе было начато строительство комплекса плавки медесодержащего сырья в жидкой ванне (печь Ванюкова). В 1995 году комплекс был пущен в эксплуатацию.
9 Интенсификация процесса плавки медного сырья
Целью плавки любого типа является перевод всей перерабатываемой шихты в расплавленное и газообразное состояние с получением штейна или чернового металла, возгонов и шлака и их разделением.
Значительные различия физико-химических свойств химических соединений, составляющих шихту и, в первую очередь, температуры их плавления приводят к постепенному формированию расплава. Сначала образуется первичный расплав из наиболее легкоплавких компонентов, а затем происходит растворение в них более тугоплавких веществ.
Следовательно, процессы штейно- и шлакообразования протекают в две стадии: расплавление легкоплавких составляющих шихты и растворение более тугоплавких веществ в этих расплавах.
Из числа присутствующих в сульфидных шихтах химических соединений наиболее легкоплавкими являются сульфиды (за исключением ZnS). При этом их эвтектические смеси по сравнению с отдельными сульфидами имеют еще меньшие температуры плавления. Поэтому процессы штейнообразования начинаются раньше процессов шлакообразования и идут с большими скоростями.
Шлакообразование начинается позднее и происходит медленнее потому, что для большинства оксидов шихты температура плавления выше, чем температура в печи. При ограниченных температурах в плавильных агрегатах особо важное значение приобретают процессы растворения тугоплавких оксидов в первичных шлаковых расплавах.
Процессы растворения являются диффузионными и поэтому протекают значительно медленнее процессов расплавления легкоплавких компонентов.
Образование шлаков в металлургических печах начинается, как правило, с получения оксидно-сульфидных эвтектик или более сложных многокомпонентных легкоплавких композиций.
В дальнейшем в них растворяются более тугоплавкие оксиды и, в первую очередь, кремнезем, вводимый обычно в шихту в виде кварцевого флюса.
На скорость растворения кремнезема в фаялитовом расплаве наибольшее влияние оказывает интенсивность движения шлака, крупность частиц флюса и его реакционная способность. В условиях отражательной плавки (при которой наблюдается наименее интенсивное перемешивание по сравнению с другими известными пирометаллургическими процессами) около 50—60 % кварцевого флюса, несмотря на длительное пребывание в расплаве (10—15 ч), не успевает полностью раствориться в шлаке. Мелкие частицы кварца образуют тонкую взвесь, а более крупные плавают на поверхности шлаковой ванны в виде "кварцевой шубы". Эксперименты показывают, что принудительное перемешивание расплава вызывает резкое ускорение процесса растворения тугоплавких составляющих шихты.
Наиболее медленным этапом плавки, даже для современных процессов, у которых время завершения других стадий мало, является коалесценция сульфидных капель и разделение штейна и шлака.
Значительная часть меди находится в шлаках в виде эмульсии — мелких капель штейна. Кроме того, при восстановлении или сульфидировании металлов в шлаковом расплаве обычно образуется дополнительное количество капель металлсодержащей фазы, отстаивание которых происходит крайне медленно и не успевает завершиться за приемлемое с практической точки зрения время. Поэтому необходимо обеспечить принудительное укрупнение штейновых или металлических частиц.
Можно однозначно утверждать, что именно медленное укрупнение мелкой штейновой (металлической) взвеси и ее отделение от шлака являются одним из самых медленных этапов плавки в целом
Наиболее эффективным приемом ускорения коалесценции штейно-вой взвеси является перемешивание шлака с получающимся при плавлении штейном. Известно, что даже загрузка сульфидов на поверхность шлаковой ванны и однократная промывка шпака каплями штейна заметно обедняют шлак.
Сочетание процессов восстановления и перемешивания шлака со штейном позволяет резко интенсифицировать укрупнение штейновых частиц и разделение фаз. Доказано, что крупность частиц при этом возрастает настолько, что для разделения штейна и шлака требуется менее 1 ч вместо 8—12 ч.
Правильная организация процесса разделения фаз создает предпосылки для резкой интенсификации работы плавильных агрегатов и повышения их удельной производительности.
Анализ переработки сульфидного сырья на штейн позволил выявить роль и взаимосвязь последовательных элементарных стадий физико-химических превращений и установить, что оптимизация технологии плавки требует определенного сочетания следующих условий:
1) создание условий для высокой степени использования кислоро
2) да газовой фазы в локальной зоне металлургического реактора, от
3) деленной от конечных продуктов плавления;
4) обеспечение высокой скорости массообменных процессов в сис
5) теме исходные твердые компоненты — конечные расплавы;
3) создание условий для достижения заданного приближения к
равновесию между конечными продуктами плавки;
4} ускорение укрупнения диспергированного штейна или металла и обеспечение полноты разделения продуктов плавки.
Результаты научных разработок позволили сформулировать основной принцип новой технологии: плавление сырья и массообмен осуществляются в турбулентно перемешиваемой ванне эмульсии штейна (металла) в шлаке.
Перемешивание расплава при барботаже его технологическими газами, образующимися при, подаче дутья в расплав через боковые фурмы, обеспечивает требуемую степень турбулизации для ускорения металлургических превращений в зоне расплава выше уровня фурм.
При этом обеспечивается коалесценция мелких штейновых капель и формирование составов фаз, близких к конечным. Расслаивание штейна и шлака организовано в прямоточном потоке вертикально движущихся расплавов. Это обеспечило совмещение в одном агрегате для непрерывного процесса реакционной зоны с высокой степенью турбулентности
Научно обоснованная оптимизация организации физико-химических процессов и движения расплава позволила создать новую технологию — плавку в жидкой ванне
Сравнительные технико-экономические показатели
| Показатель
|
ПЖВ
|
Отражательная плавка
|
| Удельный проплав, т/(м2 • сут) | 60—80 | 4—5 |
| Содержание меди, %: в штейне | 45—55 | 20—30 |
| в шлаке (без обеднения) | 0,5—0,6 | 0,4—0,5 |
| Содержание Si02 в шлаке, % | 30—32 | 34—42 |
| Влажность шихты, % | 6—8 | 6—8 |
| Максимальная круп ность шихты, мм | До 50 | 5 |
| Пылевынос, % | 1 | 1—2 |
| Содержание О2в дутье, % | 60—65 | До 25 |
| Содержание SO2 газах, % | 20—40 | 1—2 |
| Расход условного топ лива, % | До 2 | 18—22 |
10 Сущность процесса плавки в жидкой ванне
Сущность технологического процесса плавки в жидкой ванне заключается в следующем. Кислородсодержащий газ вводится под избыточным давлением около 0,1 МПа в расплав через фурмы в стенах печи на уровне примерно 0,3—0,7 м ниже уровня расплава в спокойном состоянии внутри шахты печи.
Общая глубина ванны расплава в печи без барботажа 2,0—2,5 м. Кислородсодержащий газ дутья, барботируя верхнюю часть расплава, энергично перемешивает его и создает газонасыщенный слой гетерогенного расплава, состоящего в основном из шлака с включениями до 10 % (вес.) сульфидов в виде капелек штейна и при недостатке тепла — угля или кокса. Высота барботируемого газонасыщенного расплава увеличивается на величину, равную 2—3-х кратному расстоянию от оси фурм до уровня расплава в спокойном состоянии. Кислородсодержащий газ взаимодействует, в первую очередь, с сульфидом железа, серой и углем и генерирует тепло, необходимое для плавления загружаемой шихты и нагрева расплава именно в зоне технологического процесса равномерно во всем верхнем слое.
Благодаря интенсивному перемешиванию капельки сульфидной фазы, образуемые из загруженных частиц сырья, соударяются и сливаются, достигая гидродинамически устойчивого размера 0,5-5 мм, достаточного для выпадения их из верхнего барботируемого слоя и быстрого опускания в донную фазу.
Шихта, состоящая из флотационного концентрата или кусковой руды с флюсом и, если необходимо, с кусковым углем, вводится сверху в барботируемый слой; вследствие высокой энергии перемешивания она равномерно распределяется по всему его объему.
Расплавленные сульфиды шихты вследствие высокой активности серы и железа интенсивно взаимодействуют со шлаком и кислородом дутья, поддерживают низкое содержание магнетита в шлаке. Это способствует получению шлаков, бедных по цветным металлам. В условиях активного перемешивания происходит быстрое растворение кварца и других тугоплавких компонентов шихты, и поэтому во всем объеме расплава постоянно поддерживается оптимальный состав лака, обеспечивающий минимальные потери цветных металлов. Наличие в расплаве пузырьков барботирующего газа способствует быстрой и полной (в соответствии с величиной равновесного давления пара) возгонке летучих компонентов.
Расположение переточного канала для вывода шлака из шахты на 1 м ниже уровня фурм привело к тому, что весь образующийся в верхнем барботируемом слое шлак постепенно движется сверху вниз, проходя свой путь в течение 1,5—3,0 ч. При этом он непрерывно промывается дождем крупных капель штейна, выпадающих из верхнего перемешиваемого слоя. Ниже фурм движущийся поток шлака уже не перемешивается и в нем можно создавать соответствующие градиенты температуры, состава и других параметров, способствующие обеднению шлака. Благодаря такой организации его движения исключена возможность проскока и быстрого выхода из печи непроработанного шлака с повышенным содержанием цветных металлов. Сульфидная донная фаза, образующаяся на дне печи из опускающихся капель, отдельно от шлака выводится из плавильного агрегата.
11 Процессы, протекающие в надфурменнои и подфурменной зонах печи для плавки в жидкой ванне
В надфурменной зоне происходитплавление, окисление сульфидов, растворение
тугоплавких компонентов, укрупнение мелких сульфидных частиц.
При этом все процессы проходят одновременно и с высокой скоростью. Высокая скорость обеспечивается интенсивным перемешиванием расплава. Отсутствие диффузионных ограничений.
Важная особенность:
- невысокое содержание магнетита в шлаке в сравнение с другими автогенами процессами способствует снижению потерь меди со шлаком .
- 100% использование кислорода в расплаве, что позволяет изменять состав штейна за счет изменения соотношения кислорода в дутье и количества шихты.
В подфурмениой зоне происходит оседание капель штейна. Скорость движения
капель штейна намного превышает скорость движения шлака вниз. Происходит промывка шлака
каплями штейна. За счет этого ускоряется разделение и отстаивание шлака и штейна. Эти процессы
позволяют достигнуть удельную производительность 60-80т/м в сутки. Процесс может идти как в автогенном,так и полуавтогеном режиме. Во втором случае используется топливо: уголь, природный газ, мазут.
12 Конструкция печи Ванюкова
Достоинства печи Ванюкова:
- возможно широкое управление составом штейна и получение на богатых штейнах относительно бедных отвальных шлаков.
- процесс характеризуется низким пылеуносом и получением возгонов, богатых по содержанию ценных компонентов
- надежная и долговечная аппаратура
- роцесс не требует сложной подготовки сырья и пригоден для переработки как кусковой руды, так и концентратов различного состава
- по своим показателям он превосходит все известные в мировой практике процессы.
Рис. 1. Печь дли плавки в расплаве
1— штейновый сифон; 2 — плавильная камера; 3 — газоход; 4 — шлаковый сифон; 5 — огнеупорная кладка; 6 - воздушно-кислородный коллектор; 7—кессоны; 8 — фурма
Печь Ванюкова представляет собой прямоугольную шахту шириной 2,5, длиной 10,0 и высотой 6,0 м. В боковых продольных стенах печи на высоте 2,5 м от подины водоохлаждаемые фурмы для подачи дутья, а если необходимо, и углеродистого топлива (природного газа, мазута или пылеугля). Экспериментально установлено, что ни один из известных огнеупоров не способен длительное время противостоять воздействию нагретого до 1500—1600 К шлака при энергичном его перемешивании.
Для надежного ограждения расплава потребовалось смонтировать боковые и торцевые стены шахты из массивных охлаждаемых водой медных кессонов, расположенных в зоне перемешивания шлака от уровня, около 1 м ниже оси фурм, до уровня 3,5 м выше оси фурм. Горн шахты печи ниже кессонированного пояса выполнен из огнеупорного кирпича. В торцевых стенах горна созданы два переточных канала для вывода из него шлака и штейна. Снаружи к шахте печи у переточных каналов герметично примыкают емкости, сообщающиеся через них с внутренним пространством шахты, называемые шлаковым и штейновым сифонами. В стенах этих сифонов предусмотрены щелевидные окна, положение порога которых определяется соответствующим уровнем слива шлака и штейна.
13 Технология процесса конвертирования медных штейнов
Процесс конвертирования медных штейнов осуществляется с целью перевода железа из штейнов в шлаки и сульфидных соединений меди в металлическую медь. Это возможно в процессе продувки воздуха через расплавленный штейн. В результате того, что воздух в расплав штейна врывается мощной струей с большой скоростью (130—170 м/с), он раздрабливает на своем пути жидкий штейн на мелкие капли и образует в етруе дутья штейново-воздушную эмульсию. При этом в ней бурно развиваются окислительные процессы, за счет чего в зоне окисления температура поднимается до 1400—1500 С
С. Эта температура в объеме ванны конвертера снижается вследствие теплопередачи в окружающее пространство. Образующиеся в результате окисления оксиды железа на первой стадии конвертирования всплывают на поверхность шгейновой ванны и шлакуются кремнеземом, присутствующим на поверхности ванны. На второй стадии окисления образующиеся оксиды меди взаимодействуют с сульфидами меди, что приводит к образованию в конвертере расплава черновой меди и газов, удаляющихся через горловину конвертера.
Процесс переработки штейнов на СУМЗ осуществляют следующим образом. Штейны после плавки в печах Ванюкова выпускают в специальные штейновые ковши и заливают в предварительно разогретый конвертер. При каждой заливке порции штейна в конвертер загружают кварц, величина кусков которого не должна превышать 3,5 мм. Кварцевый флюс, содержащий не менее 80 % кварца, загружают в конвертер пушкой, вдувающей дробленый кварц в конвертер равномерным слоем по всей поверхности штейна.
После заливки штейна и загрузки кварца в конвертер через фурмы подают воздух при давлении около 190 кПа. По мере накопления жидкого шлака его сливают через горловину в ковш. С этой целью отключают воздух, что необходимо для разделения шлака и штейна. После слива конвертерного шлака в конвертер загружают новую порцию штейна и флюсов и снова проводят продувку для образования шлаков. Таким образом процесс продувки ведут до тех пор, пока в конвертере не накопится достаточное количество белого матта, содержащего не менее 75 % Сu и десятые доли процента железа. Производительность конвертера на этой стадии определяется содержанием меди в штейне.
Во втором периоде белый матт продувают непрерывно, без добавки флюсов и холодных присадок. Шлак, благодаря отсутствию в нем железа, практически не образуется. Содержание меди в шлаке второго периода до 30 %. Такой шлак также необходимо перерабатывать. Продувка во втором периоде продолжается 2-2.5 часа. Основной продукт черновая мед, шлак, газы.
14 Особенности проведения 1-го и 2-го периодов конвертирования
Первый период
Проводится селективное окисление сульфидов железа (FeS). Железо обладает большим сродством с кислородом, чем медь. Пока в расплаве присутствует железо, медь почти не окисляется.
Основные реакции:
2FeS + Ю2
= 3FeO + SO2
+ Q
За счет кислорода воздуха дутья. Реакция проходит с выделением тепла. Для отделения оксида железа(FeO) от сульфидного расплава, необходимо FeO перевести в шлак. Для этого конвертор постояннс добавляют кварцевый флюс.
FeO + SiO2
= 2FeO • SiO2
+ Q — экзотерсическая
В фурменной зоне конвертора возможно переокисление железа, т.к. там много кислорода. С образованием магнетита
6FeO + O2
= 2Fe3
O4
+Q
tплFe2O3=1590"С
Поэтому образование большого количества магнетита не желательно. Разрушается магнетит (восстановление) по реакции:
3Fe^O4
+ FeS + 5SiO2
- 5(2FeOSiO2
) + SO2
—Q-эндотермическая
Эта реакция протекает интенсивно при температуре свыше 1200 С. Поэтому процесс конвертирования желательно проводить при максимально высоких температурах. Однако, для увеличения срока службы футеровки конвертора существует температурный придел 1280-1320°С.
Основная цель этого периода: накопление в конверторе богатой по меди сульфидной массы. После первой заливки штейна и частичной продувки из конвертора сливают шлак. После чего заливакп следующую порцию штейна. Эти операции повторяют несколько раз (3-4 раза). До тех пор пока не накопится достаточное количество сульфидной массы. После этого проводят холостую продувку (без заливки штейна). В результате получают белый штейн или белый матт.Практически чистый сульфид меди (CuS). На практике в нем остается 4% FeS. Шлаки первого периода содержат 1,5-3% меди. Это высокое содержание, их необходимо переработать. Переработка заключается в том, что их отправляют в плавильную печь или в отдельные агрегаты. Дополнительное топливо для процесса не требуется. В процессе конвертирования происходит избыток тепла. Температура повышается на 5-7°С в минуту. Для избежания перегрева расплава в конвертор загружают холодные присадки (дробленый шлак, твердый штейн, вторичное сырье, медный концентрат).
Теоретическое содержание SO2 в газах 15%, но засчет подсоса воздуха концентрация составляет 2-4%. Для обеспечения максимальной производительности в процессе работы проводят прочистку фурм. Это делают вручную или автоматически. Длительность первого периода:
- при богатом штейне 6-9 часов;
- при бедном штейне 16-24 часа
a. Второй период
Основные реакции:
2CuS + ЗО, - 2Си2
О + 2SO2
Cu2
S + 2Си2
О = 6Сы + SO2
3Cu2
S + 3О2
= 6Cu+ 3SO2
Проведение второго периода:
Основной процесс - это продувка белого маттавоздухом. Процесс ведут без добавки флюсов и холодных присадок. Однако, теоретически шлака не должно получится. Практически шлак бывает, т.к. осталось 4%FeS и полностью шлак в первом периоде не удается слить. Содержание меди в шлаке второго периода до 30%. Такой шлак так же необходимо перерабатывать. Продолжительность второго периода - 2-3 часа. Основной продукт черновая медь, шлак, газы. Теоретическое содержание SO2 21%, на практике 4-6% в газах.
Производительность конвертора определяется временем работы конвертора под дутьем (это время в течение которого идет продувка расплава). Обычно время работы под дутьем составляет 70-80% от общего времени.
15 Преимущества и недостатки процесса конвертирования
Преимущества процесса:
- конвертирование весьма эффективный процесс;
- характерно высокой степенью использования кислорода;
- высокая удельная производительность во время дутья;
- процесс является автогенным (не требует добавки топлива).
Недостатки процесса:
- периодичность процесса. Время расходуется на заливку штейна, слив шлака, слив черновой меди.
- Большое время затрачивается на рабочий режим;
- трудно добиться во время работы герметичного соединения горловины конвертора с системой газоходов. Что приводит к поступлению в атмосферу цеха серо содержащий газов.
- небольшой срок службы конвертора из-за разрушения футеровки. Срок службы 1,5-3 месяца.
16 Устройство конвертера
Конвертер для продувки штейнов
1— фундамент; 2 — опорные ролики; 3 – бочка; 4 – опорный обод; 5 – горловина; 6 - футеровка; 7 — воздушный коллектор; 8 — фурма; 9 — зубчатое колесо; 10 — привод для вращения бочки
Конвертер для переработки штейнов (рис. 74) имеет цилиндрический сварной воздух из стальных листов, футерованных магнезитовым и хромомагнезитовым кирпичом. На кожухе укреплены стальные литые ободы, которыми конвертер опирается на стальные ролики, а также зубчатый обод, связанный через редуктор с электродвигателем, с помощью которого осуществляется поворот конвертера. Эта конструкция позволяет вращать конвертер вокруг продольной оси в любую сторону на 360 "С. В верхней части кожуха предусмотрено отверстие, на которое установлена горловина для отвода газов из конвертера.
Воздух в жидкую ванну штейна подается через фурмы, вставленные в фурменные отверстия в кожухе и кладке и закрепленные к кожуху по длине конвертера. Каждая из них состоит из стальной трубки, через которую воздух поступает под давлением 100—120 кПа и фасонной отливки с тремя отверстиями. Одно отверстие служит для подачи воздуха из рукава воздухопровода, второе — для крепления фурменной трубки к
отверстию в кожухе и третье — для фурмования, т.е- для очистки фурменных трубок от настывающих корок штейна.
Кладку конвертера выполняют из магнезиальных огнеупоров: хромомагнези-товых и периклазошпинелидных. Наиболее изнашивающиеся части кладки — фурменная зона и прилегающая к ней надфурменнаяи торцевая зоны. В кладке фурменного пояса конвертера наиболее стоек периклазошпинелидный огнеупор. Толщина футеровки бочки и днища конвертера составляют 380—460 мм, В области фурм она достигает 540 мм. Продолжительность кампании конвертеров между текущими ремонтами 3—4 мес.
Выводы
Основными целями программы перспективного развития предприятия являются:
- повышение эффективности работы подразделений предприятия;
- увеличение объема производства продукции;
- повышение комплексности использования сырья;
- экономия материальных и энергоресурсов;
- уменьшение вредного воздействия на окружающую среду;
- автоматизация и механизация технологических процессов.
Сегодня СУМЗ внедряет современные технологии в комплексной переработке техногенных отходов. Так, в медеплавильном цехе был смонтирован и запущен в работу герметичный водоохлаждаемый напыльник, внедрение которого позволило снизить выбросы SO2
При плавке в жидкой ванне достигнута удельная производительность, превышающая более чем в 15 раз производительность отражательной печи при плавке сырой шихты Возможно широкое управление составом штейна и получение на богатых штейнах относительно бедных отвальных шлаков.
Основной задачей в металлургическом производстве является замена отражательной печи на печь Ванюкова с возможностью полной утилизации отходящих газов.
Помимо основного использования для плавки сульфидных концентратов на штейн, плавка в жидкой ванне пригодна для более широкого применения. При внедрении процесса в жидкой ванне необходимо учитывать его возможности, пути и направления развития, которые будут осуществляться уже в недалеком будущем.
К перспективным направлениям относятся прежде всего прямое получение черновой меди и глубокое обеднение шлаков, прямое получение медно-никелевого файнштейна, плавка коллективных медно-цинковых концентратов, комплексная переработка отвальных шлаков. Заслуживает внимания также использование принципов плавки в жидкой ванне для переработки окисленных никелевых и железных руд.
Дальнейшее развитие процесса конвертирования медных штейнов осуществляется в основном по 2-м направлениям: усовершенствование существующего процесса и создание новых высокоинтенсивных процессов и аппаратов.
С целью повышения эффективности работы горизонтальных конвертеров увеличивают их размеры, совершенствуют воздхоподводящую систему , применяют механическую продувку фурм и дутья, обогощенного кислородом, тщательно герметизируют напыльники и утилизируют тепло отходящих газов.
В настоящий момент на СУЗМ предусматриваются работы по отработке технологии плавки пылей и шихты в конвертерах. Дальнейшее развитие получит применение при конвертировании природного газа и технологического кислорода. Для конвертеров разрабатывается проект напыльников новой конструкции.
Список литературы
1. «Плавка в жидкой ванне», Ванюков А.В., Быстров В.П., Васкевич А.Д., под ред. Ванюкова А.В. – Металлургия, 1988 г.
2. «Технология металлургического производства цветных металлов», Матвеев Ю.Н., Стрижко В.С. – Металлургия, 1986 г.
3. «Металлургия черных и цветных металлов», Челищев, Арсентьев
4. «Общая металлургия», Уткин, Тарасов
5. Интернет